關(guān)于建模問題的討論

 

    利用軟件做仿真分析，是熱設(shè)計(jì)一個(gè)重要手段，而建立模型是仿真繞不開的重要一環(huán)?，F(xiàn)在的商業(yè)軟件，無(wú)論Flotherm還是ICEPAK，都提供了越來(lái)越豐富的建模元素，以適應(yīng)越來(lái)越多樣的建模需求。例如，近年來(lái)，相變材料用于溫控的研究越來(lái)越多，F(xiàn)lotherm V12.0版本開始了引入了相變材料的設(shè)置。只要激活對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，按照材料的參數(shù)輸入即可。

                                             

熟練掌握這些建模的元素，會(huì)大大提高個(gè)人建模的靈活性，譬如，對(duì)于一個(gè)封裝器件來(lái)講，可供選擇的建模方式就有很多種。不過話說(shuō)回來(lái)，好的建模方法，需要工程師有較強(qiáng)的，對(duì)工程問題、器件特性有很強(qiáng)的理解，不然的話，模型的失真也會(huì)比較嚴(yán)重的。

前不久，中國(guó)熱設(shè)計(jì)網(wǎng)QQ群（319322744）中有人就遇到了建模問題。他在其他的機(jī)構(gòu)處買了FloTHERM的視頻，其中針對(duì)IGBT的建模，視頻教程說(shuō)：因?yàn)镮GBT的銅基片賦值了面熱阻了，導(dǎo)熱材料需要把導(dǎo)熱系數(shù)改為1000 W/mK，不然會(huì)有熱阻疊加，影響計(jì)算結(jié)果。而他糾結(jié)于究竟是將IGBT中的哪個(gè)熱阻換算為面熱阻賦值給銅基片。不知道是視頻的作者賣完視頻就找不到人還是對(duì)問題敷衍了事，這位朋友一直非常困惑，只好來(lái)熱設(shè)計(jì)網(wǎng)群求救。從他的截圖中，可以看到，材料的導(dǎo)熱系數(shù)類型設(shè)置為Constant，而數(shù)值被設(shè)為1000 W/mK。

電力電子、新能源汽車等產(chǎn)品中，IGBT是個(gè)常用的器件，從熱設(shè)計(jì)角度來(lái)講，也是非常復(fù)雜的器件。即使是TO247封裝的小IGBT器件，也要至少包含IGBT和Diode兩種芯片。而PIM模塊，更是包含了IGBT、Diode，整流，制動(dòng)IGBT和制動(dòng)Diode等芯片，每種芯片都有自己的熱阻數(shù)值，各不相同。銅基片底面無(wú)論用哪一個(gè)熱阻換算成面熱阻來(lái)等效，都會(huì)對(duì)其他芯片的熱阻值造成巨大的誤差，后面會(huì)有詳細(xì)的分析。

 

其次，IGBT的結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)熱系數(shù)最強(qiáng)的是純銅的基片，約為380W/mK，絕緣層的陶瓷，導(dǎo)熱系數(shù)僅有20 W/mK左右，這種情況下，將芯片至底殼之間的材料，設(shè)置成1000 W/mK這種超高的導(dǎo)熱介質(zhì)，會(huì)增強(qiáng)熱量在水平方向的傳導(dǎo)，從而使得計(jì)算的溫度大幅度降低。對(duì)熱設(shè)計(jì)工程師來(lái)講，如果大的誤差不可避免，我們希望仿真的數(shù)值高于實(shí)測(cè)值，這樣，至少散熱性能是可靠的。而上述的建模方案正好相反，IGBT容易在樣機(jī)測(cè)試中過溫，甚至炸機(jī)，這對(duì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是災(zāi)難性的。

此外在瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，這種建模方法會(huì)引起更大的誤差。

另外，也有人被建議用雙熱阻模型建模，這就更加離譜了，雙熱阻模型，根本就不適用于這種包含了多個(gè)類型芯片的器件。

Johnson接觸到的IGBT的建模方法，前后出現(xiàn)過多個(gè)版本。但由于IGBT結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前依然很難通過仿真的手段，直接精準(zhǔn)的獲得各個(gè)芯片溫度。

按照廠家的資料，可以看出，IGBT和Diode的熱阻是以四層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的，而且，這兩種芯片，四層熱阻數(shù)值都不相同，這種條件下，用一個(gè)高導(dǎo)熱的金屬板，附加一個(gè)面熱阻，這個(gè)熱阻又怎么能同時(shí)代表兩組芯片呢？

按照廠家的推薦，每種芯片的熱路圖（Foster模型）表現(xiàn)為以下形式。值得提醒的是，IGBT和Diode兩種芯片的，結(jié)到殼之間的熱路是并聯(lián)的，公共節(jié)點(diǎn)是Tc。

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目前，主流的建模方式，依舊是參照分析IGBT的主要散熱路徑，按照IGBT特有的結(jié)構(gòu)層次建模，仿真的精度還是可以保證的。當(dāng)然，也有人嘗試將IGBT的瞬態(tài)阻抗建立仿真模型，路還有很長(zhǎng)。

受限于篇幅，IGBT的討論暫時(shí)進(jìn)行到這里。后繼還會(huì)有相應(yīng)的文章推出，敬請(qǐng)關(guān)注。

對(duì)于各個(gè)類型的器件建模，一定要抓住其主要的散熱通路，不可過度簡(jiǎn)化，偏離真實(shí)的熱路圖，仿真的誤差就變得不可控了。

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